Batterie allo zinco ricaricabili: superare le sfide e sbloccare opportunità per lo stoccaggio di energia di prossima generazione

Considerando che il litio è molto limitato, fisicamente concentrato e presenta molti problemi di sicurezza (instabilità termica, incendi); lo zinco è molto più utilizzato, costa molto meno e non presenta problemi di sicurezza.

Le batterie allo zinco funzionano con elettroliti acquosi e con la combustibilità grossolana del solvente dell'elettrolita liquido, il che rappresenta un rischio per la sicurezza associato alle celle agli ioni di litio, che utilizzano solventi organici; pertanto, lo zinco fornisce un'elevata capacità volumetrica teorica (5.855 Ah/L) e bassi potenziali redox, risultando quindi interessante per applicazioni ad alta-densità energetica.

Da molti anni ormai (non pochi) le batterie ricaricabili a base di zinco (principalmente nichel zinco e zinco aria) sono prodotti limitati a causa dei seguenti tre problemi principali: formazione di dendriti, evoluzione dell'idrogeno a causa della natura parassitaria della reazione e cambiamento di forma.

La formazione dei dendriti avviene insieme allo zinco durante la fase di ricarica. Quando si ricaricano le batterie allo zinco, si depositano depositi irregolari di zinco che creano strutture dendritiche che possono attraversare il separatore della cella di zinco e causare un cortocircuito.

La reazione elettrochimica che avviene nella cella e la produzione di gas idrogeno è un'altra reazione collaterale che provoca la perdita di umidità nella cella causando un ciclo di vita limitato.

La forma dell'elettrodo di zinco cambierà durante il processo di ciclaggio man mano che il materiale attivo viene ridistribuito, provocando perdita di capacità e guasti meccanici.

Le batterie allo zinco hanno in genere una limitazione per quanto riguarda il numero di cicli a meno di 200 - 300 cicli profondi rispetto alle batterie agli ioni di litio- che forniscono 1000 - 2000 cicli.

Un'ondata di ricerca interdisciplinare - che abbraccia la scienza dei materiali, la nanoingegneria e l'elettrochimica - sta smantellando sistematicamente queste barriere.

Anodi di zinco strutturati 3D:I ricercatori dell'Università del Maryland e del Laboratorio di ricerca dell'esercito americano hanno sviluppato anodi di zinco porosi, simili a spugne,-che assecondano le variazioni di volume e promuovono una deposizione uniforme, eliminando sostanzialmente la crescita dei dendriti. Questi anodi hanno dimostrato oltre 1.500 cicli ad elevata profondità di scarica.

Additivi elettrolitici e rivestimenti "zinco-fobici":L'aggiunta di tracce di additivi organici o inorganici (ad esempio, sodio dodecil solfato, ossido di bismuto) all'elettrolita modifica la morfologia della deposizione di zinco. Approcci più avanzati utilizzano rivestimenti "zinco-fobici" che guidano la deposizione in strati planari e densi.

Separatori-ad alte prestazioni:Il separatore composito polimerico-ceramico incorpora nuovi separatori rinforzati con nanocellulosa- o metallo-Organic Framework (MOF)-che impediscono la penetrazione dei dendriti consentendo al contempo un rapido trasporto ionico.

Soppressione della reazione-laterale:I ricercatori hanno dimostrato che, ottimizzando l’uso del pH tampone e aggiungendo inibitori della corrosione (come composti di indio o stagno), si è verificata una significativa diminuzione dell’evoluzione dell’idrogeno da reazioni elettrochimiche impreviste nei prototipi di batterie all’idrogeno recentemente sviluppati con efficienze operative Coulombiane superiori al 99,7%.

Grazie a questi progressi, le batterie ricaricabili allo zinco stanno trovando i loro punti di forza commerciali - non a confronto-a-con le batterie agli ioni di litio- nei veicoli elettrici, ma in mercati enormi e poco serviti.

1. Stoccaggio stazionario di energia (rete e residenziale)

Lo stoccaggio di lunga-durata (4-12 ore) rimane una sfida a causa dei costi elevati degli ioni di litio-per kilowatt-ora di utilizzo. Al contrario, le batterie a base di zinco-- in particolare quelle che utilizzano i prodotti chimici zinco-aria o zinco-bromo - hanno costi di materie prime inferiori e hanno dimostrato di non essere-infiammabili, il che le rende ideali per applicazioni di backup-su scala industriale e di stoccaggio-e solare-. Molte startup in Cina e negli Stati Uniti, tra cui Eos Energy Enterprises e Zinc8 Energy Solutions, hanno iniziato a implementare sistemi di batterie basati su scala megawatt.

2. Dispositivi indossabili e IoT

Le batterie flessibili e-in zinco a film sottile sono ottimi candidati per l'uso in dispositivi come smartwatch, cerotti medici e sensori ambientali. L'elettrolita acquoso contenuto in queste batterie è sicuro per l'uso sulla pelle umana e la possibilità di stampare le batterie anche su substrati flessibili dovrebbe portare a molteplici metodi di produzione che gli ioni di litio- non possono eguagliare. Ad esempio, i ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore hanno recentemente stampato una batteria di zinco ricaricabile su una lente a contatto.

3. Sostituzione del piombo-acido

Le batterie al piombo-acido sono ancora il tipo di batteria predominante da utilizzare come alimentazione di riserva, per l'utilizzo in golf cart, carrelli elevatori e altro ancora; tuttavia, in genere hanno una densità energetica molto bassa e rappresentano una minaccia significativa per l’ambiente a causa della loro tossicità. D'altra parte, è stato scoperto che le batterie allo zinco immagazzinano il doppio della quantità di energia rispetto a una batteria al piombo-acido, in genere hanno un ciclo di vita molto più lungo rispetto alle batterie al piombo-acido e potrebbero essere riciclate senza nessuno dei materiali pericolosi associati al piombo. La maggior parte dei produttori di carrelli elevatori sta attualmente testando le batterie allo zinco-nichel.
 

Sebbene i progressi siano innegabili, la commercializzazione è ancora agli inizi. Le principali sfide rimanenti includono:

Aumentare la produzione di elettrodi uniformi- le scoperte di laboratorio spesso si basano su additivi esotici o lavorazioni complesse che aumentano i costi.

Standardizzazione- a differenza degli ioni di litio-con formati 18650/21700 ben-consolidati, le batterie allo zinco non hanno fattori di forma-a livello di settore.

Durata del calendario-a lungo termine-la maggior parte degli studi pubblicati mostrano un ciclo di vita, ma l'-invecchiamento nel mondo reale con carica parziale, sbalzi di temperatura e uso intermittente non è dimostrato.

Tuttavia, gli investimenti stanno accelerando. Solo nel 2025, i finanziamenti di venture capital per le startup di batterie allo zinco hanno superato i 400 milioni di dollari e il “Long Duration Storage Shot” del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti prende di mira specificamente lo zinco come sostanza chimica prioritaria. La Cina, nel frattempo, ha incluso le batterie zinco-aria nel suo 14° piano quinquennale-per lo stoccaggio dell'energia.

Sebbene le batterie allo zinco siano designate come di secondo-livello rispetto agli ioni di litio, non le "uccidono"; avranno semplicemente molte applicazioni che sono state ritenute non idonee per il litio o per le quali il litio è troppo costoso su larga scala o addirittura potenzialmente pericoloso se utilizzato nei beni di consumo. Sfruttando le caratteristiche peculiari delle batterie allo zinco insieme ai recenti progressi, esse costituiranno la seconda fondazione/blocco nell’ecosistema emergente di stoccaggio dell’energia post-litio.